CHUYÊN ĐỀ 1: HÓA HỌC HẠT NHÂN
Tài liệu bồi dưỡng văn hóa hè cơ bản dành cho HS chuyên Hóa
Bài 1 - Hóa học hạt nhân
1) Giả sử, vào năm 2100, các phả ứ
n ng hạt nhân đã giúp con người khám phá ra được nguyên tố 1000Mu . 461
Hãy cho biết sản phẩm gi a
ữ Mu với O2, F2, O3 và Hg.
2) Khi một nguyên tố phi kim dạng lỏng phân rã hai hạt  và một hạt β+ sẽ thu được một nguyên tố A có
khả năng tạo phức cyanide. Hãy cho biết phức này có màu gì và giải thích.
3) Năm 1994, tên gọi của nguyên tố 106 đã được đề xuất (về sau cũng đã được chấp nhận) là seaborgium,
Sg, nhằm tri ân nhà khoa học Glenn T.Seaborg, người t
đã khám phá ra các nguyên tố rans-uranium.
a) 263Sg được tạo ra bởi sự bắn phá hạt nhân 249Cf 18 bởi chùm hạt nhân
O. Viết phương trình phản ứng. b) 263Sg phân rã b c
ứ xạ alpha. Xác định sản phẩm tạo thành t phân rã này. ừ
4) Nhiều nguyên tố đã được tổng hợp bằng cách bắn phá các ạt h
nhân tương đối nặng với các ạt h năng
lượng cao trong các máy gia t c
ố hạt. Hoàn thành các phương trình hạt nhân sau, được sử dụng trong tổng hợp nguyên t m ố ới:
Bài 2 - Phân rã phóng xạ
1) Viết phương trình cho các quá trình được mô tả dưới đây:
a) Chromium-51 được sử dụng làm chất đánh dấu trong tế bào hồng cầu, phân rã bằng cách chụp electron.
b) Iodine-131, được dùng để điều trị cường giáp (tuyến giáp ạt ho
động quá mức), phân rã tạo thành hạt beta. c) Phosphorus-32, tích t t ụ rong ph , phân rã t ổ ạo thành hạt beta.
2) Viết phương trình phân rã phóng xạ của các hạt nhân sau. (Các hạt tạo thành được chỉ rõ trong dấu
ngoặc đơn, ngoại trừ quá trình bắt electron thì electron là tác nhân tham gia phản ứng.) a) 68Ga (bắt electron) b) 212Fr (alpha) c) 62Cu (positron) d) 129Sb (beta) 3) Xác đị ạ
nh h t bị thiếu trong các quá trình phân rã phóng xạ sau: DP 1
Bài 3 - Hóa học hạt nhân
Một phương pháp đã được công bố để t ng ổ hợp nguyên t
ố transuranium là bohrium (Bh) có sự tham gia
của quá trình bắn phá hạt nhân berkelium-249 bởi neon-22 tạo thành bohrium-267.
a) Viết phương trình phản ứng hạt nhân này.
b) Chu kì bán rã của bohrium-267 là 15 giây. Nếu 199 nguyên tử bohrium-267 có thể được tổng hợp thì
sau bao lâu sẽ còn lại 11 nguyên tử?
c) Dự đoán cấu hình electron của bohrium.
Bài 4 - Hóa học hạt nhân
1) Tiến hành bắn phá hạt nhân 252 Cf bằng hạt 10 B thu được 259 Lr . Viết phản ng x ứ ảy ra. 98 5 103
2) Tiến hành bắn phá hạt nhân 238U bằng chùm neutron tốc độ cao
thu được hạt nhân không bền 239U. Hạt 92
nhân này sẽ nhanh chóng phân rã thành 239Np r i
ồ hạt trung gian này sẽ chuyển thành 239Pu là nguyên
liệu đầu trong các lò phản ứng hạt nhân. a) Viết các phả ứ n ạ ng h t nhân xảy ra. b) Sau 117 phút, ho
ạt độ phóng xạ của 239U chỉ bằng 1/32 so với thời điểm ban đầu. Hãy xác định chu kỳ bán hủy của 239U.
c) Nếu ban đầu có 1g 239U thì sau 10 ngày sẽ có bao nhiêu gram 239Pu được tạo thành? Cho rằng sau
5h thì 239U sẽ chuyển hoàn toàn thành 239Np. Nguyên t
ố này chỉ có thể chuyển thành 239Pu. Có thể
lấy gần đúng t1/2 tính được ở câu b áp d ng cho câu c. ụ
Bài 5 - Phân rã phóng xạ
1) Một loại máy dò khói thương mại chứa một lượng nhỏ c ấ
h t phóng xạ americium-241 (241Am), bị phân
rã alpha. Các hạt alpha ion hóa các phân t
ử trong không khí, cho phép chúng có thể dẫn n, điệ khi các hạt khói xâm nh d
ập vão, độ ẫn điện c i
ủa không khí thay đổ và chuông sẽ kêu.
a) Viết phương trình phân rã alpha của 241Am.
b) Phân rã hoàn toàn của 241Am gồm một loạt các phân rã liên kết: α, α, β, α, α, β, α, α, α, β, α và β.
Xác định sản phẩm cuối của chuỗi phân rã này.
c) Xác định 11 hạt nhân trung gian.
d) Chu kì bán hủy của 241Am là 433 năm, và nó phân rã bằng các bức xạ các hạt alpha. Có bao nhiêu
hạt alpha được bức xạ ra mỗi giây bởi 5.00 gram mẫu 241Am?
2) Thorium-232 trải qua một chuỗi phóng ạ
x liên tiếp cho đến khi tạo thành chì-208 bền. Mỗi giai đoạn
được chỉ ra trong bảng dưới đây, xác định các hạt được bức xạ: DP 2
(Parent Nuclide = hạt nhân mẹ; Particle Emitted = hạt bức xạ)
Bài 6 - Phân rã phóng xạ
1) Đồng-64 phân rã phóng xạ với chu kì bán rã 12.8 ngày.
a) Tính giá trị k theo s-1.
b) Một mẫu chứa 28.0 mg 6 C 4
u. Có bao nhiêu phân rã trong phân đầu tiên? Giả sử rằng khối lượng của 64Cu là 64.0.
c) Một nhà hóa học nhận được một mẫu 64Cu vừa điều chế và đo độ phóng xạ của nó. Cô xác định được
rằng đối với một thí nghiệm, độ phóng xạ không được xuống thấp hơn 25 % giá trị đo được ban đầu.
Cô ấy phải tiến hành thí nghiệm trong khoảng thời gian nào?
2) Một nhà hóa học có nhu cầu tiến hành m t
ộ thí nghiệm với 47Ca2 (
+ chu kì bán h y 4.5 ngày) c ủ ần 5.0 mg
hạt nhân. Tính khối lượng 47CaCO3 cần phải đặt nếu biết rằng nhà cung cấp cần 48 giờ để chuyển hàng
tới. Giả sử rằng khối lượng nguyên t c
ử ủa 47Ca là 47.0 u.
3) Bromine-82 có chu kì bán rã 1.0∙103 phút. Nếu bạn cần 1.0 gram 82Br và nhà cung cấp cần 3.0 ngày để
giao hàng đến thì bạn cần đặt bao nhiêu gram NaBr (giả sử toàn bộ Br trong NaBr đều là 82Br và khối lượng nguyên t ử 82Br là 82 u.)?
Bài 7 - Phân rã phóng xạ
1) Curie (Ci) là đơn vị thường được dùng để đo độ phóng xạ hạt nhân: 1 curie phóng xạ ằng b 3.7∙1010 phân rã diễn ra m i ỗ giây (s phân rã t ố 1 gr ừ am radium trong 1 giây). a) Tính khối ng lượ c a ủ Na 38 2
SO4 có độ phóng xạ 10.0 mCi. Biết sulfur-38 có ối kh lượng nguyên tử 38u
và chu kì bán h y 2.87 h (gi ủ ờ).
b) Cần bao lâu để 99.99 % một mẫu sulfur-38 phân rã?
2) Vụ nổ hạt nhân đầu tiên được tiến hành vào ngày 16 tháng Sáu, 1945 ở sa mạc phía bắc Alamogordo,
New Mexico. Đến ngày 16 tháng Sáu, 2013 thì còn lại bao nhiêu phần trăm strontium-90 (t1/2 = 28.9 năm [yr])?
3) Iodine-131 được dùng trong chẩn đoán và điều trị bệnh lí tuyến giáp và có thời gian bán hủy 8.0 ngày.
Nếu bệnh nhân bị bệnh tuyến giáp hấp thụ một mẫu Na131I có chứa 10.0 μg 131I thì sau bao lâu ng lượ 131I còn lại 1/100 so v u? ới ban đầ DP 3
4) Technetium-99 được sử d ng l ụ
àm tác nhân phóng xạ trong xét nghiệm quét xương (99Tc43 được hấp th ụ
vào xương). Nếu 99Tc có chu kì bán rã là 6.0 giờ thì còn bao nhiêu phần của liều dùng 100 μg 99Tc còn
lại trong cơ thể bệnh nhân sau 2 ngày?
5) Phosphorus-32 là hạt nhân phóng xạ thường được dùng trong nghiên cứu hóa sinh, đặc biệt là trong các
nghiên cứu về nucleic acid. Chu kì bán rã c a
ủ phosphorus-32 là 14.3 ngày [kí hiệu d]. Tính khối lượng
phosphorus-32 còn lại từ m t ộ mẫu 175 mg Na 32 3
PO4 ban đầu sau 35 ngày. Giả sử ối kh lượng nguyên tử của 32P là 32.0 u.
Bài 8 - Phân rã phóng xạ
1) Nước mưa vừa rơi hoặc nước trên mặt đất (nước lộ thiên) có chứa đủ tritium (3H1) để có 5.5 phân rã trên m i
ỗ phút với mỗi 100 gram nước. Tritium có chu kì bán rã 12.3 năm. Vào năm 2013, bạn được yêu
cầu kiểm tra tuổi của một loại rượu cổ được cho là sản xuất vào năm 1946. Bạn dự đoán được có bao
nhiêu phân rã trên mỗi phút quan sát được với 100 gram rượu này?
2) Một cái cây còn sống có chứa lượng carbon-14 xấp xỉ như trong carbon dioxide của khí ể quy n. Giả sử
rằng tốc độ phân rã quan sát được của carbon-14 trong cây sống là 13.6 xung [số đếm] trên mỗi giây trên m i
ỗ gram carbon. Sẽ đo được bao nhiêu phân rã trên m i ỗ phút trên m i ỗ gram carbon t ừ m t ộ mẫu
15000 năm tuổi? Carbon phóng xạ sẽ định tu i ổ t t
ố với các mẫu nhỏ cỡ 10 mg, thậm chí là nhỏ hơn, hay
không? (Với 14C, t1/2 = 5730 năm [yr]).
3) Giả sử rằng tỉ lệ 14C/12C là hằng số, bằng 13.6 xung trên mỗi phút trên mỗi gram với cơ thể sống. Một
mẫu cây hóa thạch có 1.2 phân rã trên m i ỗ phút trên m i ỗ gram. Tính tu i ổ c a
ủ cây. Cho biết với 14C, t1/2 = 5730 năm [yr].
4) Một mẫu đá chứa 0.688 mg 206Pb trên mỗi 1.000 mg 238U. Giả sử rằng ban đầu không có chì, toàn bộ 206 238
Pb được tạo thành sau nhiều năm từ U và s
ố hạt nhân trong các giai đoạn trung gian c a ủ phân rã
giữa 238U và 206Pb được bỏ qua. Tính tuổi của đá. Với 238U, t1/2 = 4.5∙109 năm [yr].
5) Uranium trong tự nhiên được tạo thành chủ ế y u từ 238U và 23 U 5 , với hàm lượng tương i đố là 99.28 %
và 0.72 %. Chu kì bán rã của 238U và 235U lần lượt là 4.5∙109 năm và 7.1∙108 năm. Giả s r ử ằng tu i ổ trái
đất là 4.5 tỉ năm. Tính hàm lượng tương đối của 238U và 235 t
U khi trái đấ mới được tạo thành.
Bài 9 - Phân rã phóng xạ
1 curie (Ci) thì bằng 3.7∙1010 phân rã m i
ỗ giây (số phân rã từ 1 gram radium trong 1 giây). M t ộ mẫu nước (1.7 mL) chứa triti c um đượ tiêm vào m t
ộ bệnh nhân nặng 150 lb. Ho ạt độ t ng ổ c a ủ b c ứ xạ được tiêm vào là 86.5 mCi. Sau m t
ộ thời gian để cho hoạt độ tritium phân b
ố đều khắp cơ thể, m t
ộ mẫu huyết tương chứa 2.0 mL có hoạt độ 3.6
μCi đã được lấy ra. Từ những d
ữ liệu này, hãy tính phần trăm khối lượng nước trong cơ thể 150 lb. Bài 10 P – hân rã phón g xạ Tuổi c a
ủ mẫu đá mà con tàu Apollo 16 lấy từ mặt trăng đã được xác định từ các d ki ữ ện về tỉ lệ 8 R 7 b / 8 S 6 r và 87Sr / 8 S
6 r của các loại khoáng khác nhau có trong m ẫu đá. Khoáng 87Rb / 86Sr 87Sr / 86Sr A (Plagioclase) 0.004 0.699 B (Quintessence) 0.180 0.709
a) 87Rb phân rã , viết phản ứng phân rã này. Chu kỳ bán h y c ủ a
ủ phân rã này là 4.8 × 1010 năm. DP 4
b) Tính tuổi của mẫu đá. Bạn có thể giả sử rằng tỉ lệ 8 S
7 r / 86Sr ban đầu là như nhau trong cả A và B, 8 S 7 r lẫn 86Sr đều bền v ng. ữ
Bài 11 - Phân rã phóng xạ
Cobalt-60 phóng xạ được dùng để nghiên cứu các khiếm khuyến trong hấp th
ụ vitamin B12 bởi cobalt là
nguyên tử kim loại nằm ở tâm phân t vi ử tamin B12. T ng h ổ
ợp hạt nhân của đồng vị cobalt này là quá trình
3 giai đoạn. Phản ứng tổng là sắt-58 phản ứng với 2 neutron tạo thành cobalt-60 đồng thời bức xạ một vi hạt khác.
a) Xác định vi hạt được bức xạ ra.
b) Tính năng lượng liên kết theo J trên m i ỗ nucleon c a
ủ hạt nhân cobalt-60 (khối lượng nguyên tử cobalt-
60 là 59.9338 u; hydrogen-1 là 1.00782 u.)
c) Tính bước sóng de Broglie của hạt bức xạ biết tốc độ của nó bằng 0.90 lần vận tốc ánh sáng. DP 5 Bài 12
– Phản ứng h t ạ nhân
Các đồng vị phóng xạ có thể được dùng trong các chẩn đoán y học và ch a
ữ bệnh cũng như dùng trong phân
tích công nghiệp. Rất nhiều ng đồ
vị phóng xạ như P-32 (M = 32) và Co-60 có thể dùng làm nguồn phát
neutron trong các thiết bị phản ứng hạt nhân. Tuy nhiên m t ộ s ố ng v đồ ị phóng xạ tự - nhiên như C 14 và T-
3 (triti) có thể được tạo thành bằng cách bắn phá đồng vị N-14 trong khí quyển bằng các tia vũ trụ (Số hiệu nguyên t ử của 3T, 1H, 1 C 4 , 1 N 4
, 32P, 60Co và neutron 1n lần t
lượ là 1, 1, 6. 7. 15, 27 và 0, t c ứ P-32 có thể được viết là 32 P. 15 1) Viết các ả ph n ứng ạ
h t nhân xảy ra khi bắn phá ng đồ vị N-14 trong khí ể
quy n bằng neutron đến từ tia
vũ trụ để thu được C-14 và T-3 và phản ứng tạo thành P-32 khi chiếu xạ P-31 bằng neutron trong thiết
bị phản ứng hạt nhân.
2) Đồng vị phóng xạ P-32 có m t ộ vai trò quan tr ng ọ
trong các nghiên cứu sinh h c ọ với chu k bá ỳ n h y t ủ 1/2
là 14.3 ngày. Đồng vị phóng xạ P-32 có thể được dùng để xác định thể tích nước trong h ồ bơi hay thể
tích máu trong động vật. 2.0 mL dung dịch chuẩn chứa P-32 với độ phóng xạ 1.0 Ci / mL được đưa vào
hồ bơi. Sau khi trộn đều thì ạt độ ho
Ax của 1.0 mL nước trong hồ bơi được xác định là 12.4 cpm (1 Ci
= 3.7∙1010 phân rã / s). Tính thể tích nướ c trong hồ bơi.
Bài 13 - Phân rã phóng x ạ
Đồng vị nhân tạo 60 Co được dùng trong y tế ng v phân rã thành đồ ị bền là 60 Ni. 27 28
1) Viết các phương trình phản ứng hạt nhân xảy ra.
2) Biết chu kỳ bán hủy 60 Co Ni là 5.33 năm. Hãy tính: 27 thành 60 28
a) Khối lượng 60 Co để có độ phóng xạ là 10Ci 27
b) Sau khoảng thời gian t mẫu chất phóng xạ có tỉ lệ khối ng lượ 60 Ni so với 60 Co 28 27 là 0.9 (coi trong
mẫu không có sản phẩm trung gian). Tính t.
Bài 14 - Phản ứng hạt nhân trên mặt trời
1) Mặt trời bức xạ khoảng 3.9∙1023 J năng lượng vào vũ trụ m i
ỗ giây. Tính tốc độ s t
ụ giảm khối lượng của Mặt trời.
2) Mỗi giây Trái đất ận nh
1.8∙1014 kJ năng lượng mặt trời. Tính khối lượng ậ
v t liệu mặt trời chuyển hóa
thành năng lượng trong chu kì 24 giờ để cung cấp năng lượng hàng ngày cho trái đất. Tính ối lượ kh ng
than đá cần đốt cháy để cung cấp nhiệt lượng như trên, cho biết mỗi gram than đá khi đốt giải phóng 32 kJ năng lượng.
-------------------------//------------------------ DP 6